可靠性和抗干扰设计

1、可靠性和抗干扰设计,小型智能电子产品设计和制作,可靠性设计,?,可靠性定义及其定量描述,?,系统可靠性设计任务与方法,元器件级可靠性措施,部件及系统级的可靠性措施,可靠性定义及其定量描述,?,可靠性的经典定义：产品在规定条件下和,规定时间内，完成规定功能的能力。,?,描述可靠性的定量指标：,?,1,、可靠度,?,2,、失效率,?,3,、平均寿命,各类产品常用的可靠性指标,使用条,件,连续使用,一次使用,可否,修复,可修复,不可修复,可修复,不可修,复,维修,种类,预防维修,事,后,维修,用,到,耗,损期,一定时间,后报废,预防维修,产品,示例,电子系统、计,算机、通信机、,雷达、飞机、,生产设

2、备,家,用,电,器,、,机,械装置,电子元器,件、机械,零件、一,般消费品,实,行,预,防,维,修,的,零,部,件,、,广,播,设,备,用,电子管,武,器,、,过,载,荷,继,电,器,、,救,生,器具,保险丝、,闪光灯雷,管,常用,指示,可靠度、有效,度、平均无故,障工作时间、,平均修复时间,平,均,无,故,障,工,作,时,间,、,有,效,寿,命,、,有,效度,失效率、,平均寿命,失效率,更,换,寿,命,成功率,成功率,系统可靠性设计任务与方法,?,可靠性设计的任务,内部：元器件本身的性能与可靠性,系统结构设计,安装与调试,外部：电气条件,外部：空间条件,外部：机械条件,?,可靠性设计的一般方

3、法,元器件级可靠性措施,部件及系统级的可靠性措施,元器件,级可靠性措施,?,严格管理元器件的购置、储运；,?,老化、筛选、测试,?,降额使用,?,选用集成度高的元器件,部件及系统级的可靠性措施,?,冗余技术,?,电磁兼容性设计,?,信息冗余技术,?,时间冗余技术,?,故障自动检测与诊断技术,?,软件可靠性技术,?,失效保险技术,电磁兼容性设计概念,?,所谓电磁兼容性（,Electromagnetic,Compatibility, EMC,）是指电子装置在预定,的工作环境条件下，既不受周围电磁场的,影响，也不影响周围的环境，不发生性能,变异或误动作，而按设计要求正常工作的,能力。,抗干扰设计,?

4、,形成干扰的基本要素,?,干扰源与,ESD,?,干扰的耦合方式,?,系统抗干扰设计的主要途经,?,单片机系统的几点抗干扰技术,形成干扰的基本要素,?,干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，如：,雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可,能成为干扰源。,?,传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通,路或媒介。典型的干扰传,播路径是通过导线的传,导和空间的辐射。,?,敏感器件，指容易被干扰的对象。如：,A/D,、,D/A,变换器，单片机，数字,IC,，,弱信号放大器等。,常见干扰源,雷电,脉冲电路,ESD,感性负载通断,直流电机、变频调速器,?,电子消费类、数码产品中专门的,静电阻抗器,ESD

5、,（静电保,护元件）：电压范围为,24V,，极间电容有,2.5pf,的，响,应速度小于,1ns,，极低的漏电流，封装主要为,0603,和,0402,。,工作原理是：在电器正常工作过程中，,ESD,只是表现为容,值极低的,(,一般,5pf),容抗,特性，不会对正常的电器特性产,生影响,且不会影响到电子产品的信号及数据传输；当器,件两端的过电压达到预定的崩溃电压时，迅速（纳秒级）,做出反应，以几何级数的量放大极间漏电流通过，从而达,到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响。,?,注意：,压敏电阻,的电容高（最低都在,100f,以上），使它,在很多情况下,不能在信号传输线路中使用,。电容和导线电,感形

6、成一个低通电路，会使信号极大地衰减。但频率大约,在,30kHz,以下的衰减可以忽略不计。但是,对于要求通过,USB,端口与计算机连接的大多数码产品来说，一旦连接端,口的电容值大于,5pf,时，往往会引起数据传输出错或失败。,干扰的耦合方式,?,干扰的耦合方式：直接耦合、公共阻抗耦合、,电,容耦合、电磁感应耦合,、辐射耦合、漏电偶耦合,磁场耦合,系统抗干扰设计的主要途经,?,精心选择,元器件,?,元部件要精密调整,?,采用,硬件抗干扰,技术,?,采用软件抗干扰技术,?,1,、数字滤波,?,2,、信息传送过程的自动检测,?,3,、系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复,抗干扰的措施,?,硬件抗干扰

7、：,1,、,屏蔽,?,2,、,隔离,?,3,、,滤波,?,4,、,接地,?,软件抗干扰：,1,、,软件滤波,?,2,、,陷阱,?,3,、,看门狗,硬件抗干扰的措施,?,屏蔽,?,屏蔽是指利用导电或导磁材料制成的盒状,或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围,起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合,通道，阻止其电磁能量的传输。按需屏蔽,的干扰场的性质不同，可分为电场屏蔽、,磁场屏蔽和电磁场屏蔽。,?,电场屏蔽是为了消除或抑制由于电场耦合,引起的干扰。,?,隔离,（光电、变压器、继电器）,?,1.,?,光电隔离是以光作为媒介在隔离的两端之间进,行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。由于,光电耦合器在传输

8、信息时，不是将其输入和输出,的电信号进行直接耦合，而是借助于光作为媒介,物进行耦合的，因而具有较强的隔离和抗干扰能,力。在控制系统中，它既可以用作一般输入,/,输出,的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉,冲放大作用。由于光电耦合器具有二极管、三极,管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路；,又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗,电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得,了极其广泛的应用。,?,2.,?,对于,交流信号的传输,一般使用变压器隔离干,扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，,用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰,信号的强度，也就是把模拟地和数字地断开。传,输

9、信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不,形成回路而被抑制。,?,当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端,输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤,掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰,减，从而达到了抑制干扰的目的。,?,3.,?,继电器线圈和触点仅有机械上的联系，,而没有直接的电的联系，因此可利用继电,器线圈接收电信号，而利用其触点控制和,传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔,离（如下图所示）。同时，继电器触点较,多，且其触点能承受较大的负载电流，因,此应用非常广泛。,?,滤波,?,滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干,扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号,的频谱宽得多，

10、因而当接收器接收有用信号时，,也会接收到那些不希望有的干扰。,?,下图所示为计算机电源采用的一种,LC,低通滤,波器的接线图。含有瞬间高频干扰的,220V,工频电,源通过截止频率为,50Hz,的滤波器，其高频信号被,衰减，只有,50Hz,的工频信号通过滤波器到达电源,变压器，保证正常供电,?,图,(a),所示为开关触点抖动抑制电路，用于,触点抖动所引,起的干扰,。图,(b),所示电路是交流信号抑制电路，主要用,于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的,反电势,。图,(c),所示电路是输入信号的阻容滤波电路，可作为直流电,源的,输入滤波器,，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波,器。,?,接地,?,

11、下图所示是,并联一点接地,方式。这,种方式在,低频,时是最适用的，因为各电路,的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗,有关，不会因地电流而引起各电路间的耦,合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，,用起来比较麻烦。,并联一点接地,?,?,多点接地所需地线较多，一般适用,于低频信号。若电路工作,频率较高,，电感,分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。,如下图所示，,各接地点就近接于接地汇流,排或底座、外壳等金属构件上,。,多点接地,软件抗干扰的措施,1.,?,用软件来识别有用信号和干扰信号,并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。识,?,（,1,）时间原则。,?,（,2,）空间原则。,?,（,3,）属性原

12、则。,?,2.,软件“陷阱”,?,从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使,CPU,偏离,预定的程序指针，进入未使用的,RAM,区和,ROM,区，引起,一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见,的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”,法。这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（,RAM,和,ROM,）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令,填满，作为软件“陷阱”，以捕获“飞掉”的程序。一般,当,CPU,执行该条指令时，程序就自动转到某一起始地址，,从这一起始地址开始存放一段使程序重新恢复运行的热启,动程序，该热启动程序扫描现场的各种状态，并根据这些,状态判断程序应该转到

13、系统程序的哪个入口，使系统重新,投入正常运行。,?,3.,软件“看门狗”,?,“看门狗”（,WATCHDOG,）就是用硬件（或,软件）的办法使用监控定时器定时检查某段程序,或接口，当超过一定时间系统没有检查这段程序,或接口时，可以认定系统运行出错（干扰发生），,可通过软件进行系统复位或按事先预定的方式运,行。“看门狗”是工业控制机普遍采用的一种软,件抗干扰措施。当侵入的尖峰电磁干扰使计算机,程序“飞掉”时，,WATCHDOG,能够帮助系统自,动恢复正常运行。,系统抗干扰能力的措施,?,1,、逻辑设计力求简单可靠,?,对于一个具体的机电一体化产品，在满,足生产工艺控制要求的前提下，逻辑设计,应尽

14、量简单，以便节省元件，方便操作。,?,2,、,?,由于干扰引起的误动作多是偶发性的，,因而应采取某种措施使这种偶发的误动作,不致直接影响系统的运行。因此，在总体,设计上必须设法使干扰造成的这种故障能,够尽快恢复正常。通常的方式是在硬件上,设置某些自动监测电路,这主要是为了对一,些薄弱环节加强监控，以便缩小故障范围，,增强整体的可靠性。,?,3,、从安装和工艺,?,a,合理选择接地,?,b,合理选择电源,合理选择电源对系统的,抗干扰能力也是至关重要的,;,?,c,合理布局,系统的各个部分进行合理的,布局，能有效地防止电磁干扰的危害。,单片机系统的几点抗干扰技术,?,单片机系统抗干扰设计,?,印制

15、电路板及电路的抗干扰设计,单片机抗干扰设计,?,在单片机系统中，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，建议采,用如下措施：,?,（,1,）单片机输入电源与强电设备动力电源分开。,?,（,2,）采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。,?,（,3,）交流进线端加低通滤波器，可滤掉高频干扰。安装时外壳要加,屏蔽并使其良好接地，滤波器的输入、输出引线必须相互隔离，以防,止感应和辐射耦合。直流输出部分采用大容量电解电容进行平滑滤波。,?,（,4,）对于功率不大的小型或微型计算机系统，为了抑制电网电压起,伏的影响，可设置交流稳压器。,?,（,5,）采用独立功能块单独供电，并用集成稳压块实现两级稳压

16、。例,如主板电源先用,7809,稳压到,9V,，再用,7805,稳压到,5V,。,?,（,6,）尽量提高接口器件的电源电压，提高接口的抗干扰能力。例如,用光耦合器输出端驱动直流继电器，选用直流,24V,继电器比,6V,继电器,效果好。,?,过程通道是系统输入、输出以及单片机之,间进行信息传输的路径。由于输入输出对,象与单片机之间的连接线长，容易串入干,扰，必须采用隔离技术、双绞线传输、阻,抗匹配等措施抑制。,利用双绞线抑制长线传输干扰,?,双绞线是较常用的一种传输线。与同轴电,缆相比，其波阻抗高、抗共模噪声能力强，,对电磁场具有一定抑制效果。,?,根据传送距离不同，双绞线使用方法不同，,见下表

17、：,距,离,使用方法,示意图,5,米以下,发送、接收端都接有,负载电阻。,若发射侧为集电极开,路驱动，则接收侧的,集成电路用施密特型,电路，抗干扰能力更,强。,10,米左右,使用平衡输出的驱动,器和平衡输入的接收,器,数十米,发送和接收信号端都,要接匹配电阻。,印制电路板及电路的抗干扰设计,?,在单片机系统中，印制电路板的设计好坏对抗干,扰能力影响很大。印制电路板是用来支撑电路元,件，并提供电路元件和器件之间电气连接的重要,组件。为了减少干扰，在印制电路板设计过程中,必须遵循以下三大原则：,?,尽量控制噪声源；,尽量减小噪声的传播与耦合；,尽量增加噪声的吸收。,1,、印制电路板大小,?,印制电

18、路板大小要适中,如果印制电路板太大，会增加线路的阻,抗及成本，降低抗干扰能力；太小，则散,热不好，而且线路间干扰也会大大增加。,2,、去耦电容,1,?,合理配置去耦电容,（,1,）直流电源输入端应跨接,10100F,以上的,电解电容器。,?,（,2,）原则上每个集成电路芯片的,Vcc,引脚都应,安置,个,0.01F,的陶瓷电容器。也可每,410,个芯,片安置一个,110F,的钽电容器。,?,（,3,）对于抗噪声能力弱、关断时电流变化大的,器件和,ROM,、,RAM,等存储器件，应在芯片的电源,线,?,（,Vcc,）和地线（,GND,）间直接接入去耦电容。,2,、去耦电容,2,?,（,4,）电容

19、引线不能太长，特别是高频旁路,电容不能带引线。,?,（,5,）在选用作为电路充电的储能电容时，,尽量采用大容量的钽电容或聚脂电容，而,不用电解电容。若使用电解电容则要与高,频特性好的去耦电容成对使用。如下图所,示为去耦电容的安装位置图。,?,3,选择时钟频率低的单片机及外部时钟部件。,?,4,元件的选择尽量采用低速器件。,?,5,对进入电路板的信号源及从高噪声区来的信号,要加滤波，继电器线圈处要加续流二极管。,?,6,尽量不使用,IC,插座，而把,IC,直接焊在印制板上，,这样可减少,IC,插座间较大的分布电容。,?,7,电源插接件与信号插接件要尽量远离，主要信,号的插接件外面最好带有屏蔽。,

20、?,在安排插针信号时，用一部分插针为接地针，,均匀分布于各信号针之间，起到隔离干扰的作用。,信号针与接地针理想的比例为,1,：,1,。,印制电路板的合理布局,?,1,元件布置要合理分区。,?,单片机应用系统通常可分三区，即模拟电路区（怕干扰）、,数字电路区（既怕干扰、又产生干扰）、功率驱动区（干,扰源）。应将这三个区合理分开，使它们相互间的信号耦,合最小。,?,2,印制电路板要按,单点接电源、单点接地,的原则送电。,三个区的电源线、地线由该点分三路引出。,?,3,噪声元件与非噪声元件要离得远一些。,?,易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远,离计算机逻辑电路，如有可能，应另做电路板

21、。,?,4,时钟发生器、晶振和,CPU,的时钟输入端要尽量靠近，,并远离,I/O,线及接插件。,?,5,I/O,驱动器件、功率放大器件尽量靠近印,制电路板的边缘、靠近引出接插件。,?,6,器件的布置上也应考虑到散热。,?,最好把,ROM,、,RAM,、时钟发生器等发热,较多的器件布置在印制板的偏上方部位,（当印制板竖直安装时）或易通风散热的,地方。单片机组件的参考布局如图所示。,印制电路板的合理布线,?,1,正确处理电源线,?,根据印制线路板电流的大小，尽量,加,粗电源线宽度,，减少环路电阻。同时，使,电源线、地线的走向和数据传递的方向一,致。电源线和地线最好分别设计在,不同的,版面上,，以防杂物引起短路。,?,2,、正确处理地线,?,（,1,）正确选择单点接地与多点接地。当信号,频率小于,1MHz,时，应,尽量采用单点并联接地,，实际布线有困难时，可部分串联后再并联接,地；当,频率大于,10MHz,时，宜采用多点串联接地,；当信号频率在,110MHz,之间时，如地线长度不超过波长的,1/20,，可用单点接地。,3,种接地方